共光路移相单频激光干涉测长系统

激光原理小论文共光路移相单频激光干涉测长系统13光电付骥39261413103共光路移相单频激光干涉测长系统付骥1引言位相测量技术早在20世纪70年代就已被用于干涉计量中[1]。最初采用改变参考光程长度来获得空间干涉条纹图移相,Smythe和Moore利用1/2波片和1/4波片及偏振分束器(PBS)得到了理想的瞬时移相干涉信号[2]。Dorsey,Crosdale和Palum将偏振光移相技术应用于长度测量干涉仪中[3]。光路布局应用光程差放大技术;偏振光移相技术和A/D转换器以及高倍数的电子细分的使用极大地提高了干涉仪的测量分辨力[4,5]。但在高分辨力单频激光干涉仪中,光强“零漂”带来的干涉信号的直流点漂移直接影响电子细分的精度。作者提出了一种单频激光干涉测长系统[6]:(1)利用偏振光移相及共模抑制技术,解决了光强“零漂”的问题;(2)采用参考光束和测量光束共光路设计布局,能有效地消除由于气流、气压、温度、湿度和外界振动等测量环境因素给测量带来的误差;(3)光路布局采用了光程差放大技术,提高了干涉系统的分辨力。在解决了原理构成的基础上,如何尽可能详尽地找出影响干涉系统测长精度的因素,从而在仪器的安装调试中获得理想的测长精度,这就成了使原理构成实用化和仪器化的关键。因而构建了一套实验光路布局,并对整个干涉系统进行了精度分析和精度测试。同时还对测量误差进行了误差分离和系统误差修正。2系统组成及测长原理干涉系统如图1所示。采用波长为632.8nm的稳频He2Ne激光器,功率为4mW。分束部分由PBS3和直角棱镜4组成。合束部分由1/2波片11,直角棱镜12和BS13组成。偏振光移相由1/4波片15和PBS16完成。激光器1发出的单模线偏振光经扩束准直系统2后变成平行光束,经分束部分变成两束振向相互垂直的两束线偏振光;测量光束(S光)经过1/2波片5变为P光,透过PBS6和1/4波片7后变为圆偏振光,经测量反射镜9反射后再次经过1/4波片7,圆偏振光变为线偏振光,振向改变90°变为S光,并在PBS6分束面上反射,被入射到角锥棱镜10上;经角锥棱镜中的三面反射后,振向不变按原方向反射到PBS6分束面上,并再次被反射到1/4波片7和测量反射镜9上,而且又两次经1/4波片7后变成P光,返回后透过PBS6成为包含有测量光程r1的测量光束。参考光束重复测量光束的传播过程(所不同的是被参考镜8反射),透过PBS6后成为包含参考光程r2的参考光束。应用光波迭加理论,假定两光束的振幅为a,则从PBS6射出的两光束的振动方程为测量光束:E1=acos(kr1-ωt)(1)参考光束:E2=acos(kr2-ωt)(2)1—He2Ne激光器;2—扩束准直镜;3—PBS;4—直角棱镜;5—1/2波片;6—PBS;7—1/4波片;8—参考平面镜;9—测量平面镜;10—角锥棱镜;11—1/2波片;12—直角棱镜;13—BS;14—偏振片;15—1/4波片;16—PBS。参考光束首先经过1/2波片11变为S光,然后与测量光(P光)在BS13汇合。一部分光束经偏振片14后产生干涉图样1,偏振片14的透光轴P1的方位如图2所示。其合振动方程(假定振幅不变)为E′=E1/2+E2/2=2acoskr1-kr22coskr1+kr22-ωt(3)令kr1-kr2=δ,则干涉图样1的光强为I1=(2acosδ/2)2=a2(1+cosδ)(4)另一部分光束经过1/4波片15,波片快慢轴方位如图2所示。两线偏振光变为旋向相反的两圆偏振光,振动方程如下:两圆偏振光入射到PBS16,由PBS的性质可知,光矢量沿x方向的P波分量透射形成干涉图样2,光矢量沿y方向的S波分量反射形成干涉图样3,光强分别为I2和I3。干涉图样2的合振动方程为式中,δ=K(r1-r2)为由测量光束与参考光束的光程差引起的空间位相差,三路干涉信号位相依次相差90°,从而实现了偏振光移相。测量光束两次射入测量反射镜,光程差得以放大两倍。测量反射镜每移动1/4波长,干涉信号光强改变一个周期。从干涉仪获得初位相为0°,90°和-90°的三路光干涉信号来看,经光电接收器接收并放大后,使0°和90°,0°和-90°信号分别输入两个比较器电路,生成两路错相90°的交变方波信号。首先将得到的两路交变方波信号输入四倍频及判向电路,然后推动可逆计数器计数,记录交变脉冲个数N,即得到测量反射镜的移动距离L=±Nλ/16。在干涉测长中,共光路布局中的非共模量带来的光强干扰难以补偿。例如空气湍流、机床油雾和切削屑等环境因素在测量光路中对测量光束光强的影响,而此种光强干扰对于三路信号的影响是相同的,在比较电路中属共模量,从而在比较器中被有效抑制。3精度分析通过调整,保证干涉系统正常工作,并使得测量误差最小。调整应达到两个目的:一是使得干涉图691光学技术第30卷样获得最大条纹对比度;二是使得余弦误差最小。要求测量光束与参考光束重合产生等厚条纹,此时两光束在光强一定的条件下,条纹对比度最大。此外,要求测量光束与待测位移方向平行,以期达到最小的余弦误差。3.1阿贝误差在系统精度鉴定中,标准测长仪与激光干涉仪测量轴线不能做到重合,在精度测量中产生阿贝误差。在精度检定中,阿贝误差属于系统误差,可修正。3.2余弦误差(1)由于测量轴线与激光束不平行产生余弦误差(图3),所以干涉仪是以激光波长为测量基准的,并且沿激光束的前进方向是以波前计数的。如果测量轴线与激光束不平行,则导致余弦误差的产生,并且激光束两次入射测量反射镜,光程放大四倍,产生的余弦误差为(2)假定测量轴线与测量光束的入射光束平行,而测量反射镜与激光束不垂直(角度为90°-γ),则造成出射光束与测量轴线的不平行,从而产生余弦误差。如图4所示,激光束两次入射到测量反射镜,第图4激光束与测量镜不垂直时的走向一次的入射光束和第二次的出射光束与测量轴线平行,而第一次的出射光束和第二次的入射光束偏离测量轴线,产生的余弦误差为ΔL2。另外,当平面镜沿导轨移动时,测量光束将会有横向偏移,将影响干涉条纹的条数和接收信号的相位,进而影响干涉信号的正交性。在实际调整中,用两台示波器监视三路正交干涉信号的李萨育图形,用五维调整架调整测量反射镜,使得在测量反射镜的整个行程中李萨育图形近似不变,可视为平面镜与激光束垂直。实验中,将整个行程的李萨育图形的变化量控制在20°之内。ΔL2=2(L-L′)=2L(1-cos2γ)(12)3.3激光频率不准确和不稳定带来的误差激光干涉仪是以激光波长为计数基准的,波长的精确程度和稳定度对测量精度的影响是起决定性作用的,不管系统装调如何精确,波长的精确程度和稳定度决定了干涉系统的精度极限。激光波长不准确导致测量中的系统误差。在氦氖激光器中,气体成分、比例、谐振腔的几何参数、谐振腔反射率、放电电流等多种因素对激光波长产生影响。激光频率不准确带来的误差可作为系统误差修正掉。而激光频率不稳定导致测量结果中的随机误差,不能修正。氦氖激光器采用稳频技术可能达到的频率稳定度为10-9～10-10,不加任何稳频措施的频率稳定度为10-6。3.4角锥棱镜加工误差的影响如果角锥棱镜的直角面的二面角在加工时达不到90°,其误差使得进入和射出棱镜的光束不平行。假定三个直角的误差均为θ,玻璃折射率为n,则入射光线与出射光线的夹角为[7]δ=2n8/3θ(13)根据前面的光路推导,这个角度引起光束经角锥棱镜射出后,第二次入射到测量反射镜并被反射回PBS的光束均偏离测量轴线,导致余弦误差的产生。ΔL4=2L(1-cosδ)(14)3.5电子系统误差(1)脉冲当量误差。干涉系统的每一个脉冲当量即系统分辨力约为0104μm,而对于比一个脉冲当量小的长度来说,计算机无法鉴别。所以脉冲当量误差为ΔL5。ΔL5=0.04μm(15)(2)相位差非90°误差。三路原始信号两两相差90°,如果受环境因素影响导致相位关系发生改变,则将产生测量误差。在实际的调整中发现,位相改变可以控制在±20°,折算成测量误差为ΔL6=0.04×20°90°=0.009μm(16)3.6测试环境偏离标准状态带来的误差(1)气流、温度波动,仪器受到外界振动和激光器短期频率不稳定性等因素的影响会造成零位漂移。由多次实验结果得到它的大小为ΔL7=0.2μm(17)(2)气压测量不准,导致在波长修正中空气折射率不准而引起测量误差。假定气压计读数精度为30Pa,气压波动为30Pa,则由气压值误差Δp=302+302所引起的误差为[7]ΔL8=0.269×Δp×10-8L≈0.11×10-6L(18)(3)测量过程中,空气温度波动Δt≈0.2℃使空气折射率改变,所引起的测量误差为[7]ΔL9=0.93×Δt×10-6L≈0.2×10-6L(19)以上误差项按均方根合成,常数项为一部分,与长度L有关的误差项为另一部分。δ1=ΔL23+ΔL25+ΔL26+ΔL27(20)δ2=ΔL21+ΔL22+ΔL24+ΔL28+ΔL29(21)得到干涉系统的误差估计值δ为δ=δ1+δ2(22)4精度测试为检验干涉仪的测长精度,应用由长春光机所研制的大行程激光线位移传感器作标准尺来检验,其测量分辨率为2nm,误差峰峰值为0118μm,标准差为0105μm。量程为100mm(该测长仪曾用HP公司的5528双频激光干涉仪标定)。标准尺测量值L作为名义真值。在20mm行程内选择20个测量点,采用四倍频细分电路显示干涉仪条纹个数N。由于受实验条件的制约,激光器频率无法精确检定,它带来的测量误差为系统误差,属线性误差,可修正。首先用氦氖激光的真空波长的理论值λ0=0.6328μm来计算测量值L′=±Nλ0/16,比对名义真值L,得到测量误差;然后应用最小二乘法对20个点的测量误差进行线性函数拟合和系统误差修正,得到系统随机误差,如表1所示。应用贝塞尔公式求得均方差为误差分布近似正态分布,对应置信限0.9973的极限误差为±3σ=±0.1935μm(24)作者计算了弗雷德常数r0、传统自适应光学系统(有单个变形镜,共轭高度在光瞳平面上)的等晕角θ0、有一个变形镜的MCAO(共轭高度为H1)和有两个变形镜的MCAO(共轭高度分别为H1和H2)的等晕角θ1和θ2的大小。计算结果如表2所示。4结论可以看出,在传统的自适应光学系统中,等晕角的大小只有微弧度的量级。而多层共轭的自适应光学系统比传统的自适应光学系统中的等晕角要大的多。如果采用上文所说的优化算法计算出的等晕角或者是实际测量的等晕角,会比本文计算出来的值要大。如果MCAO系统中采用更多的变形镜,则它的等晕角也会更大。